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背景介紹

強(qiáng)度-塑/韌性倒置是制約鋁基復(fù)合材料發(fā)展的重大難題。向鋁基體中引入增強(qiáng)體雖然顯著強(qiáng)化了鋁/鋁合金基體，但也限制了基體局部塑性變形。近年來(lái)通過(guò)調(diào)整晶粒尺寸分布，從而使金屬的強(qiáng)度/塑性達(dá)到平衡的設(shè)計(jì)思路取得了長(zhǎng)足發(fā)展；此外，構(gòu)筑晶內(nèi)彌散增強(qiáng)體也可以顯著改變位錯(cuò)行為，提高復(fù)合材料加工硬化能力。

本文亮點(diǎn)

圖文解析

圖1 Al-Mg-CuO復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)特征和形成機(jī)制。（a）MH結(jié)構(gòu)和均勻（NH）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的形成機(jī)制示意圖；（b-c）MH和NH復(fù)合材料基體的EBSD-IPF表征；（d）MH復(fù)合材料晶粒結(jié)構(gòu)的STEM表征；（e）MH和NH復(fù)合材料的晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)；（f）MH復(fù)合材料中的代表性細(xì)晶STEM圖像；（f1-f4）圖（f）中細(xì)晶的的EDS表征；（g）MgO顆粒的HRTEM表征；（h）MgO尺寸統(tǒng)計(jì)；（i）沉淀相θ的HRTEM表征；（j）θ相尺寸統(tǒng)計(jì)。

要點(diǎn)2：多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)和MgO增強(qiáng)體的強(qiáng)化效果使復(fù)合材料具有696 MPa的抗拉強(qiáng)度和9.4%的斷裂延伸率，顯著的加工硬化能力使MH復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑性均高于均質(zhì)材料。MH材料的拉伸曲線呈現(xiàn)出明顯的三階段：彈性變形階段、不連續(xù)屈服階段和加工硬化/斷裂階段。通過(guò)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算可得出不同應(yīng)變量對(duì)應(yīng)的HDI應(yīng)力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明HDI應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，約占流變應(yīng)力的1/2。

圖2復(fù)合材料力學(xué)性能。（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）MH復(fù)合材料與其他相關(guān)體系體系的力學(xué)性能比較；（c）MH結(jié)構(gòu)和均勻結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變硬化率；（d）MH結(jié)構(gòu)和均勻結(jié)構(gòu)的循環(huán)加卸載曲線；（e）圖（d）中MH復(fù)合材料的其中一個(gè)卸載-加載滯后回路；（f）不同應(yīng)變下MH和均勻結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的HDI應(yīng)力和有效應(yīng)力值。

圖3 MH復(fù)合材料不同應(yīng)變狀態(tài)下微觀組織變化過(guò)程。（a~e）階段Ⅰ，彈性變形階段：(a) 粗晶片層STEM表征；（b）粗晶區(qū)內(nèi)的典型粗晶；（c）粗晶內(nèi)MgO顆粒的HRTEM表征；（d）（c）中區(qū)域D的IFFT表征；（e）細(xì)晶區(qū)表征。（f~g）階段Ⅱ，不連續(xù)屈服階段：（f）粗晶片層的整體形貌；（g）（f）中區(qū)域G的表征；（h）細(xì)晶區(qū)域的整體形貌；（i）（h）中區(qū)域I的表征；（j）（f）中區(qū)域J的表征；（k~m）階段Ⅲ，斷裂階段：（k）基體STEM表征，插圖為對(duì)應(yīng)的DF-STEM圖片；（l）典型細(xì)晶，插圖為晶內(nèi)MgO的TEM表征；（m）含有位錯(cuò)胞的細(xì)晶。

要點(diǎn)4：粗晶片層中的位錯(cuò)墻結(jié)構(gòu)隨著變形量加大不斷吸收可動(dòng)位錯(cuò)形成位錯(cuò)胞，并進(jìn)一步引發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，低位錯(cuò)密度的再結(jié)晶晶粒賦予了材料額外加工硬化能力。晶內(nèi)MgO通過(guò)Orowan效應(yīng)和引發(fā)彈性應(yīng)變場(chǎng)有效阻礙了位錯(cuò)滑移，提高了晶內(nèi)儲(chǔ)存位錯(cuò)的能力，優(yōu)化晶內(nèi)、晶界的應(yīng)力/應(yīng)變分配，抑制晶界附近的應(yīng)力集中；同時(shí)，多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過(guò)粗晶片層的早期塑性變形實(shí)現(xiàn)應(yīng)變離域，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料長(zhǎng)程區(qū)域內(nèi)的塑性變形，從而提升材料的整體塑性和加工硬化能力。

圖4 MH復(fù)合材料的EBSD表征。（a）未變形和（b）斷裂MH復(fù)合材料的再結(jié)晶晶粒分布及大小角度晶界分布圖；（c）斷裂MH復(fù)合材料的局部取向差分布圖；MH材料在無(wú)應(yīng)變和斷裂時(shí)的（d）不同晶粒狀態(tài)占比統(tǒng)計(jì)圖和（e）不同角度晶界占比統(tǒng)計(jì)圖；（f）MH和均質(zhì)復(fù)合材料的Schmid因子對(duì)比圖；（g）MH復(fù)合材料在應(yīng)變變形過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演化示意圖。

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